关键词： Engineering  

摘要： Ferro-Electric Random Access Memory (FRAM) is a leap forward in non-volatile data storage technology for embedded systems. It allows for persistent storage without any power consumption, fulfilling the same role as flash memory. FRAM, however, provides several major advantages over flash memory, which can be leveraged to substantially reduce sleep current in a device. In applications where most of the time is spent sleeping these reductions can have a large impact on the average current. With careful design sleep currents as low as 72 nA have been demonstrated. A lower current consumption allows for more flexibility in deploying the device; smaller batteries or alternative power sources can be considered, and operating life can be extended. FRAM is not appropriate for every situation and there are some considerations to obtain the maximum benefit from its use. An MSP430FR2311 microcontroller is used to measure the performance of the FRAM and how to structure a program to achieve the lowest power consumption. Clock speed and instruction caching in particular have a large effect on the power consumption and tests are performed to quantify their effect. Two case studies are considered, a feedback control system and a data logger. Both cases involve large amounts of data writes and allow for the effects of the FRAM to be easily observed. Expected battery life is determined for each case when the sample rate is varied, suggesting that average operating current for the two solutions will nearly converge when the sampling period exceeds 1000 s. For sampling periods on the order of one second operating current can be reduced from 15.4 µA to 730 nA by utilizing FRAM in lieu of flash.

关键词： CMOS工艺   低功耗   非易失性存储器   多次可编程   存储单元   耐久性   保持性  

摘要： 基于CMOS工艺的超低功耗MTP存储器,作为小容量的嵌入式非易失性存储器,具有低成本、高可靠性和超低功耗的优势。随着物联网的兴起,超低功耗MTP存储器有着越来越广泛的应用。本课题的研究内容主要包括以下三个方面:(1)分析了典型的超低功耗MTP存储单元结构,在此基础上做了改进,提出了一种MTP存储单元结构,新的单元包含一个高压管。新的单元结构与典型的单元结构相比有以下优势:具有更小的单元面积,提高了存储密度,单元的操作条件更简单,降低了外围电路实现的复杂度。对新的单元的性能和可靠性进行了实验和测试,与典型的单元相比,具有更小的亚阈值摆幅和更好的耐久性。建立了存储单元的SPICE简约模型。(2)设计了存储阵列的结构和操作方法。单端单元结构的阵列结构在面积上比差分单元结构的小一半,存储阵列的编程、擦除抑制操作采用自促进编程、擦除抑制机制,降低了编程、擦除的功耗。对存储阵列的编程、擦除特性、耐久性和保持性进行了研究。(3)设计了超低功耗MTP存储器的顶层架构,研究了存储器的关键电路,包括写操作电路和读操作电路。设计了一个读操作电路及编程验证方法,可以在编程验证电压变化的情况下,进行编程验证。对整个存储器IP核进行了设计、仿真与实验,对存储器的读、写操作、耐久性和保持性进行了测试验证。

关键词： 非还原压缩   编码行复用   卷积神经网络   硬件加速  

摘要： 卷积神经网络(Convolution neural networks,CNN)因其在图像识别、语音识别和无人驾驶等方面具有的卓越性能而被国内外广泛研究。随着其性能和精度的提升,CNN的层数和计算量显著上升。经过线性整流函数后,CNN含有超过50%的零值数据。零值数据的计算不会改变计算结果,但是它消耗较高的能耗和计算周期。因此,零值数据的非还原压缩方法和压缩数据的复用方法成为目前急需解决的问题。本文以此为研究对象,从以下三个方面开展研究工作:(1)多路径包连接电路提升传输效率;(2)非还原压缩的编译码方法降低功耗和计算周期;(3)编码行复用方法提升数据的利用效果;(4)基于低功耗高性能的CNN硬件加速器的设计。主要工作有:(1)设计多路径包连接电路针对传统包连接电路(Packet connect circuit,PCC)的(X,Y)路由算法导致的多播传输的节点数量少、传输效率低,不能同时实现多种传输方式等情况,以及无法满足CNN每一层传输数据量大、传输方式复杂的要求,本文设计多路径包连接电路提升传输效率。多路径包连接电路采用两条多播输入通道和一条单播输出通道实现数据的输入-计算-输出的相互独立,结合多播和路由接收模块的判断机制实现多种传输方式。实验结果表明,与传统PCC相比,通道建立时间降低60.4%,数据包传输时间提升2.53x。(2)设计非还原压缩的编译码方法针对传统编译码方法在CNN领域中压缩率低,传输和计算时的再还原,以及零值在计算中仍无法实际跳过等情况,本文设计非还原压缩的编译码方法并实现其硬件化设计。编码时,该方法根据卷积计算的特性,对输入数据的每一行进行0/1编码,保留每行有效值个数,提升压缩率;在译码时,该方法根据有效值个数将编码与对应的有效值发送进入计算单元,计算单元根据编码进行移位译码计算,达到跳过零计算的目的,提升计算速度。实验结果表明,总的压缩率达到58.91%,其中,单层最高的压缩率达到48.64%。(3)设计编码行复用方法针对目前尚未有对压缩数据进行数据复用方法的情况,本文提出编码行复用方法。该方法充分挖掘压缩数据的数据量低的优点,利用卷积核在输入特征图向下滑动过程中产生的行数据复用,采用分时复用方式提升编码数据的利用率。实验结果表明,与Eyeriss的固定行复用相比,片外存储的读写次数降低45%。(4)设计低功耗高性能的CNN硬件加速器根据多路径包连接电路、非还原压缩编译码方法、编码行复用方法,本文设计低功耗高性能的CNN硬件加速器,设计多路径包连接电路、编码电路、控制电路、发送电路、计算电路,使用配置链配置每一层卷积的计算参数。实验结果表明,计算速度与Eyeriss相比,加速比为14.8x。

关键词： 电池管理系统   多核管理   SOC动态修正   低功耗  

摘要： 随着科技的进步和人们生活水平的不断提高,汽车逐渐普及,成为人们日常生活中的必需品。然而,汽车广泛应用带来方便的同时也带来了化石能源紧缺、环境污染等一系列问题。在实际需求与国家的大力支持与推广下,纯电动汽车得到快速的发展,电池管理系统（BMS）作为监控电池状态的核心也得到普遍的重视。为增强电池管理系统集成度,提高实时性能,提出构建多核管理的电池管理系统,在此基础上完成了系统的软硬件设计,并对电池荷电状态（SOC）估计算法进行了研究。采用开发的系统开展实验,达到了预期目的。主要工作如下。1.提出了多核管理的系统架构,进行了多核管理系统的软硬件设计。将系统功能分配到多个核中进行处理,一个核专门处理对于实时性影响较大的单体管理程序,另一个核用于进行系统休眠监控,最后一个性能最强大的核用于处理控制算法在内的其余功能。硬件设计包括单体管理模块、温度检测模块、供电模块、通信模块等,完成了芯片选型、外围电路设计和低功耗设计。系统软件对多核管理主程序、绝缘电阻/总压检测、充电管理、均衡管理、故障管理、低功耗的休眠/唤醒控制等功能进行设计。***估计是电池管理的重要内容,通过对SOC估计算法的研究,提出了完全状态下的SOC修正算法。采用安时积分进行SOC估计,同时,采用滑膜观测器（DSME）进行动态修正;采用开路电压（OCV）进行静态修正。仿真结果表明该算法可以纠正初始过程和放电过程中的SOC偏差,避免现有“OCV+安时积分”无法动态校正SOC偏差的问题。3.采用开发的系统进行实验。通过系统多核管理实验和低功耗实验,验证了多核管理架构的实时性能和低功耗方案的可行性。开展了主要功能验证,包括电流、单体电压、总压、绝缘检测,满足检测精度要求。通过充电实验验证了系统充电控制的有效性。

关键词： 脑神经信号   放大器   带通滤波器   MUX电路  

摘要： 随着信息时代的发展,微弱神经信号的提取对疾病的分析、治疗和监测起了重要的作用。本文以可穿戴医疗监测系统为应用背景,采用28nm CMOS集成工艺,设计出一款可用于脑神经信号监测芯片的低功耗低噪声模拟前端,经过仿真验证,它能有效地采集和放大微弱的神经信号。文章首先介绍了模拟前端的相关背景知识,包括发展概况、脑神经信号特点等,并确定性能指标和系统构架;接下来对模拟前端的各个模块进行了详细介绍,其中主要包括斩波放大器、可变增益放大器、高Q值开关电容带通滤波器和MUX数据选择电路;最后采用UMC 28nm CMOS工艺,完成了8通道模拟前端的电路设计和版图实现,并给出仿真验证结果。模拟前端采用1V低压电源供电,通道采样频率为6.4MHz。仿真结果表明,模拟前端的等效输入噪声为0.324μVrms（10Hz～40Hz）,单通道功耗为0.4m W,通过采样时钟控制,能在不同时刻分别采集八个通道上的信号,很好的完成了对微弱信号的采集和放大功能。模拟前端还实现了增益和带宽可调的功能,增益有62d B,56d B,50d B,44d B四个挡位,带宽取决于开关频率,可以根据神经信号的强弱和频率去灵活选择增益和开关频率,对信号进行有效的采集放大。本文采用业界最先进的28nm平面集成工艺,利用器件的低压特性,实现了8通道低功耗低噪声模拟前端的设计和版图实现,在工程上为脑神经信号监测芯片的集成化提供了实际参考。

关键词： AMOLED   薄膜晶体管   动态电压调节   显示均一性   低功耗  

摘要： 近年来有源矩阵有机发光二极管(active-matrix organic light emitting diode,AMOLED)在大尺寸电视、手机显示、虚拟现实领域有了广泛的应用。未来AMOLED显示将在低功耗、柔性化、智能化方向取得重大技术突破和产业应用。随着OLED发光效率的显著提高,显示器的像素面积减少,所需的像素电流已经降低到10A的水平。在如此低的电流下,驱动晶体管工作在亚阈值区域以实现较低的灰度级,传统像素内部补偿方法不能很好工作。另一方面,对于采用电池供电的移动设备,显示屏耗电已经接近手机能耗的一半,低功耗显示器对于延长手机工作时长非常重要。传统的显示器设计使用恒定的最大电源电压以满足最大灰度的显示需求,整个显示器始终提供最大电源电压造成功率浪费。因此,AMOLED显示需要在保证图像质量的基础上,降低显示器功耗。但是对于已有的显示器电源管理方法,电压调节后实际显示的图像与原始图像存在差异。显示背板驱动晶体管阈值电压漂移和驱动数据电压扰动对显示均一性有很大的影响,已有的电压调节方法不能提高显示质量,需要新的电压调节方法满足需求。本论文围绕提高显示均一性和降低显示器功耗两个目标,提出一种新的动态电压调节驱动方法。根据低温多晶硅薄膜晶体管(low temperature polysilicon thin-film transistor,LTPS TFT)漏极偏置特性,通过降低晶体管源极与漏极之间电压,使晶体管低电流情况下的工作状态由亚阈值区域转移至阈值电压以上区域。通过调节像素电路OLED阴极电压,使得驱动晶体管漏极电流随阈值电压漂移和驱动数据电压扰动的变化速率降低。本文将动态电压调节方法应用于分块的显示器,各块独立可调的电源电压设为几个确定的档位。遍历查找块所有像素得到块最大灰度值,确定使块总电源电压最小的可调电源电压档位。再根据确定的块电源电压和块所有像素的灰度值,映射查表得到块所有像素实现给定灰度所需要的驱动数据电压。本文使用FPGA实现动态电压调节方法,对块可调电压电源线进行物理布线,证明了本方法硬件实现的可行性。假设阈值电压漂移值和驱动数据电压扰动值,使用Matlab仿真工具对受像素电压影响的真实显示图像和需要显示的原始图像进行对比,验证了本方法提高图像显示质量的效果。同时本方法在保证显示图像质量不变的前提下,有效降低显示器静态功耗。

关键词： 低功耗   有限带宽   发现模型   资源分配  

摘要： 随着物联网设备和可穿戴设备的普及,将这类设备连接入网并进行管理成为当前5G研究的热点,这类设备的特点是带宽受限和节能要求高。为了提升物联网设备和可穿戴设备的能量效率,降低功耗,保证低带宽设备的通信性能,3GPP(the 3rd Generation Partnership Project)展开了FeD2D(Further Enhancements to LTE Device to Device)技术的研究。FeD2D技术包括FeD2D通信技术和FeD2D发现技术。本文主要对FeD2D发现技术中的资源管理技术进行研究,包括优化发现模型和设计低功耗资源分配方案,以提高物联网设备和可穿戴设备的发现性能,降低发现过程的能耗。物联网设备和可穿戴设备仅支持受限带宽,FeD2D若使用传统的发现模型会导致发现成功率低,并增加延时和功耗。针对这一问题,本文对发现模型进行优化。发现模型包括宣布式发现模型和询问式发现模型。对于宣布式发现模型,提出将资源池分为多个窄带资源池,在多个窄带资源池发送多次的优化策略。针对询问式发现模型,提出远程UE的询问信号和中继UE的回应信号使用相同频率资源的优化策略。通过理论分析和搭建仿真平台进行仿真验证,上述优化策略可以增强发现性能。针对物联网设备和可穿戴设备的低功耗特性,为了降低用户的功耗,设计了基于用户距离的资源分配方案,该方案通过让距离较远的UE处于睡眠模式,睡眠模式下的UE不需要发送信号也不需要监听信号,可以节省功耗和频谱资源。为了保证低电量UE也能顺利接入网络,设计了基于终端能量分级的资源分配方案,通过给低电量UE分配专用资源池使得低电量UE可以快速发现中继UE顺利接入网络。

关键词： NFC   片上温度传感器   存储器   数字基带   低功耗  

摘要： 近场通信技术（Near Field Communication,NFC）虽然起源时间较早,发展较成熟,但由于其设备成本高一直未能受到广泛关注和应用。近年来随着科学技术的发展,NFC设备成本的降低,NFC技术的应用范围也得到进一步的扩展。传统无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）由于具有搭建复杂、管理困难且功耗较高的缺点,一般被用在工业控制领域。针对于以上技术各自的特征和存在的问题,本文给出了一种将NFC标签和温度传感器相结合的系统。由于NFC技术本身具有功耗低、建立连接速度快、成本相对较低的特点,由NFC技术构成的该系统相对于WSN同样更加简单、功耗更低,更适用于一些贴近日常生活的场合。为此,本文完成了:（1）整合NFC协议标准,确定使用ISO/IEC 14443协议1~3部分作为传感标签激活过程相关标准,使用MIFARE系列卡读写命令作为数据交互标准,提升了对更多阅读器的兼容性;针对于传感标签应用场合,优化NFC传感标签存储方案,通过简化存储器结构和减小存储器容量的方式降低存储器功耗。本文使用的存储器待机功耗小于0.1μW,读功耗2μW,写功耗50μW;在不改变NFC阅读器与NFC标签之间通信链路的情况下,加入片上温度传感器模块。本文使用差分电路思想,降低了芯片上不同位置的工艺偏差对量化精度的影响;数字基带处理中增加分频器位数,提高量化精度。（2）按照功能要求划分传感标签基带结构,完成数字基带各模块代码的编写和验证,采用低功耗综合策略完成代码逻辑综合,采用形式验证的方式证明了综合后网表和经过仿真验证后代码的逻辑一致性,完成后端设计生成DRC、LVS均满足的GDS II文件。该文件符合芯片签核标准。（3）搭建实物测试系统验证给出传感标签的协议一致性和功能正确性,使用商用NFC阅读器——Ardunio PN532作为传感标签阅读器,使用带有模拟前端的FPGA开发板结合设计代码作为传感标签,通过片上逻辑分析仪观测阅读器与传感标签实时链路数据的方式验证了该系统的协议一致性,通过上位机软件观测接收温度数据的方式验证了该系统的功能正确性。本文给出的数字基带版图面积为0.019mm~2,功耗为88μW,满足NFC系统对于功耗的要求。板级验证的过程中,本文给出的系统能正确通过商用NFC阅读器获取温度传感数据。

关键词： 生物医疗电子   事件驱动   Level Crossing ADC   低功耗  

摘要： 在生物医疗电子领域,植入式、便携式的移动设备通常将低功耗和小型化作为首要考虑因素。在实际的应用当中,生物信号经常表现为具有突发性,并伴随较长静息期的特点。在对这类稀疏性较强的生物信号进行模数转换处理时,传统的奈奎斯特采样方式往往会在一些无效信息上浪费不必要的功耗。Level Crossing(LC)采样方式是利用信号稀疏性的一种无时钟采样方式,其基本原理是当输入信号发生较大变化时,认为采样事件发生并记录采样点的位置,当输入处于静息期时,只要信号不超出预定的阈值电压范围,就不发生采样行为。这种方式不需要采样时钟,也就避免了固定时钟带来的冗余采样,在节省功耗的同时可以减少采样点数量,减轻系统对数据处理和传输的压力。对于Level Crossing模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),采样事件是由输入信号和预定阈值电压的状态共同决定的。根据工作方式不同,LC ADC可以分为Fixed window和Floating window两种结构。当采样事件发生时,Fixed window结构将输入信号折叠使其落在固定窗内,而Floating window结构是通过改变阈值电压调节窗的位置。LC ADC将信号幅值域的量化转化为时间域的量化,随着集成电路特征尺寸的减小,数字电路的工作频率不断提高,可以通过提高时间间隔的量化精度,来提升LC ADC的整体性能。本文在明确以上采样原理的基础上,采用0.18μm标准CMOS工艺,分别设计了两种不同结构的LC ADC,并构建了一个适用于本文非均匀采样ADC的性能评估方案。本文主要设计实现了一个以信号折叠电路、比较器和逻辑控制电路为主要组成部分的Fixed window型LC ADC。在对各模块电路进行设计仿真、非理想因素分析与优化、版图设计之后,通过非均匀采样傅里叶变换进行性能评估,电路最终实现了硬件精度8-bit、有效位数12.72-bit、面积为0.011mm、最快采样速率3.25MS/s。在同等功耗水平条件下,可以达到更高的转换精度,并且芯片面积非常小,适合生物医疗电子系统的应用。本文还设计了一种硬件精度为8-bit,最大采样率为512kS/s的Floating window型LC ADC,面积为0.231mm。当采样率为51.2kS/s时,功耗为100.3μW。由于采用全并行数据格式,Floating window结构减小了采样误差,但面积和功耗较大。考虑到Fixed window型结构更具小型化优势,本文选择Fixed window型LC ADC进行了流片,并给出了封装测试方案以及测试结果。

关键词： 镊子式   电子测量   模拟前端   低功耗   优化设计  

摘要： 电子测量设备的需求随着高速发展的电子技术也日益提升。现有的电子测量设备向两个方向发展,一个是往高性能发展的台式仪器,比如台式示波器、矢量网络分析仪、功率分析仪等;另一个是向小型化发展,例如手持式万用表、手持式逻辑分析仪等。但是,对于台式仪器,其体积较大,操作不够便捷;对于目前的常见手持仪器仪表,其体积依旧较大,特别是对于电路板上SMT元件的测量,测量起来还不够方便。此外,手持式仪器仪表的测量精度和测量速率都明显低于一般台式仪表,在较为精密或者动态数据的测量下显得无能为力。本文介绍了一种以镊子外形为基础,具有一般数字万用表的电压、电流、电阻测量功能的电子测量仪器。从器件选型、电路结构、数据的处理上做了科学的考量,提出了一种应用于测量小型电路板的改进型电子测量仪表结构。本文采用STM32L432KB作为处理器;TS5A3359模拟开关芯片用于模式切换;OPA313微功耗运算放大器用于模拟前端;TPS78227和TPS62740做稳压电源;BQ24232做锂电池充电管理;BQ27426用于测量锂电池剩余电量;ADS8885高精度ADC做模数转换;REF3325作为电压基准。本文对电源、电压基准、信号处理等电路进行过低功耗、小型化、噪声优化设计,使其适应了快速、精密和低功耗的数据采集要求。改进后的结构,大大方便了用户对高密度电路板中的电路参数进行测量。